一種基于PVDF的雙發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計

引言

　　在國家和社會，近年來的工作重心之一，便是節(jié)能減排了。如何合理利用資源、有效保護資源，是每一個人義不容辭的社會責任。而當前節(jié)能減排的重點在于實現(xiàn)技術(shù)節(jié)能，由于壓電材料具有優(yōu)良的特性，國內(nèi)外對壓電材料的研究較多。因?qū)?strong>壓電發(fā)電技術(shù)的研究較少，故壓電發(fā)電技術(shù)必將成為未來的發(fā)展趨勢，然而壓電材料具有產(chǎn)生電量少，且不連續(xù)等難題，本研究為解決此難題，把壓電材料發(fā)電技術(shù)與無線傳感器結(jié)合，監(jiān)測壓電材料振動以使其振動能量的儲存達到最大化，實現(xiàn)發(fā)電，為節(jié)能減排作出重大的貢獻。

　　1 整體方案設(shè)計

　　1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計

　　首先設(shè)計系統(tǒng)的整體工作流程圖，以便為設(shè)計思路提供理論上的依據(jù)，以保障系統(tǒng)高效、有序地實施。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

　　1.2 系統(tǒng)發(fā)電的工作原理

　　充分利用日常生活中普遍存在的運動壓力和空氣壓力雙作用于壓電材料PVDF,由其壓電效應(yīng)便可快捷地產(chǎn)生電荷。一方面通過運動壓力擠壓壓電材料PVDF，進行一次發(fā)電；另一方面利用活塞連桿裝置壓縮空氣，作用于PVDF,產(chǎn)生的壓力進行二次發(fā)電，大大地提高壓電材料的發(fā)電效率。然后通過超低輸入升壓電路，可對外輸出較高電壓，再通過儲能電路，形成穩(wěn)定的電壓對可充電電池充電，最后由密排電池組集中對外供電。

　　1.3 系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　在公路路面下鋪設(shè)一段壓電材料聚偏氟乙烯（PVDF）或是直接的壓電材料路面，壓電材料通過防壓彈簧進行復(fù)位與保護。由于壓電材料具有很好的絕緣性，故在其表面鍍一層金屬層，然后接引線，便于將系統(tǒng)產(chǎn)生的電荷導(dǎo)出。此外，相鄰的四塊壓電應(yīng)變片通過無線傳感器，進行高效、迅速的實時監(jiān)測，便于電能的實時收集。壓電材料膜片下接活塞壓縮缸，即為空氣壓縮系統(tǒng)部分；壓縮缸下面安裝有薄膜氣缸，壓縮空氣進入薄膜氣缸作用于壓電材料，此為二次發(fā)電部分。系統(tǒng)主體部分的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主體部分結(jié)構(gòu)圖[!--empirenews.page--]

　　1.4 壓電材料產(chǎn)能機理

　　壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。所謂正壓電效應(yīng)，是指某些物質(zhì)沿一個方向受到外力作用時，在其表面上便產(chǎn)生電荷，當外力去掉后，表面的電荷隨之消失。反之，如果將這種物質(zhì)置于電場中，在電場作用下產(chǎn)生機械變形，當外電場去掉后，變形也隨之消失，這種現(xiàn)象稱之為逆壓電效應(yīng)。準確地說，壓電發(fā)電技術(shù)是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，將機械振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，實現(xiàn)發(fā)電的目的。

　　實際應(yīng)用時為了增大輸出值，壓電材料往往需要用兩個或兩個以上串聯(lián)或并聯(lián)使用。并聯(lián)時，輸出電荷量大、電容大、時間常數(shù)大，適宜緩變信號作用和以電荷輸出的場合；串聯(lián)時，輸出電壓大、電容小、時間常數(shù)小，適宜高頻信號作用和以電壓輸出的場合。

　　1.5 高效壓電材料PVDF結(jié)構(gòu)及其電性能

　　PVDF是目前壓電性能最優(yōu)的壓電材料之一，作為一種新型薄膜狀換能材料具有質(zhì)地輕軟、可繞性好、壓電特性好等特點。與目前常用的無機物壓電材料（如石英、壓電陶瓷類）相比，它還具有聲阻抗小、頻率響應(yīng)寬、介電常數(shù)小、耐沖擊性強，便于加工成任意形狀等優(yōu)點。

　　本設(shè)計利用PVDF的可延展性和壓電特性，建立壓電發(fā)電公路。

　　2 系統(tǒng)發(fā)電量分析

　　2.1 壓電材料產(chǎn)生電能的等效模型

　　為了詳細地了解壓電材料產(chǎn)生電荷的機理，本設(shè)計采用了有限元分析法，截取了一小塊壓電材料的一個截面進行受力及電荷產(chǎn)生的分析。圖3為一塊壓電材料的一個截面圖。

　　壓電元件在壓力作用下，會產(chǎn)生形變。由于壓電效應(yīng)，壓電材料上下表面產(chǎn)生電荷，此時，壓電元件相當于一個電容，電容在兩極產(chǎn)生電荷后就儲存能量。

　　從電學(xué)角度來看，壓電元件可以簡化為一個正弦電流源iP（t），與內(nèi)在的電極電容CP并聯(lián)。假設(shè)電流源與電極電容恒定，負載可調(diào)，由戴維南等效定理可得該電路的阻抗為：

　　可求出電路輸出電壓：

　　輸出功率：

　　當R=1/（CP）時，即外接負載電阻和壓電元件等效阻抗相匹配，負載吸收的能量最大。[!--empirenews.page--]

　　2.2 壓電材料施力模式及電能計算

　　在實際使用壓電材料時，通常采用如下兩種施加力的方式：31模式和33模式。31模式表示坐標3方向施加應(yīng)用，坐標1輸出能量；33模式表示坐標3施加應(yīng)用，坐標3輸出能量，如圖4所示。由于使用模式33時可以獲得更大的輸出功率，因此本設(shè)計采用33模式進行設(shè)計計算。

　　在外界壓力作用下的壓電材料產(chǎn)生的電荷和電壓為：

　　將壓電材料等效為一個電容，其儲能公式是：

　　式中：d33為壓電材料的壓電常數(shù)；F為作用在壓電材料表面的應(yīng)力；Afp是作用力施加的區(qū)域；l,w和t分別是壓電材料的長、寬和厚度；r為壓電材料的相對介電常數(shù)；0為真空介電常數(shù)。

　　3 系統(tǒng)電路的設(shè)計

　　3.1 無線傳感控制系統(tǒng)的設(shè)計

　　系統(tǒng)采用的方案是，將相鄰的四片壓電材料通過一個無線傳感器進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)高效、迅速、靈敏且最大限度地收集壓電材料所產(chǎn)生的電能。系統(tǒng)無線傳感控制系統(tǒng)與電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計原理圖如圖5所示。

　　無線傳感控制系統(tǒng)的工作原理：預(yù)先設(shè)定無線傳感器的額定工作頻率及轉(zhuǎn)換的額定工作電壓，只有相鄰的壓電應(yīng)變片達到預(yù)設(shè)的工作頻率，其應(yīng)變才能被無線傳感器檢測到，其產(chǎn)生的電能才可以被無線RF傳輸電路傳遞給電網(wǎng)集成電路集中收集。[!--empirenews.page--]

　　3.2 RF遠程傳輸電路的設(shè)計

　　系統(tǒng)主要應(yīng)用于公路發(fā)電系統(tǒng)，也有可能安裝在環(huán)境較為惡劣的地區(qū)，故采用了傳輸效率高、傳輸響應(yīng)頻率嚴格的RF遠程傳輸電路來提高系統(tǒng)能量的收集效率。

　　RF發(fā)射電路由發(fā)射頭電路和微處理器兩部分組成，其工作原理是當微處理器和發(fā)射頭電路同時上電后，微處理器串行輸出口TXD發(fā)送一組數(shù)據(jù)，通過發(fā)射頭電路以電磁波形式發(fā)送到空中。數(shù)據(jù)發(fā)送時間要小于10ms,因為壓電發(fā)電裝置所提供的電壓在控制電路的調(diào)解下每次只能持續(xù)1s,故所設(shè)計的發(fā)射電路要適應(yīng)壓電發(fā)電裝置這個特性。

　　在系統(tǒng)中，利用RF發(fā)射電路將系統(tǒng)電網(wǎng)收集的電能集中傳輸給升壓及儲能電路，實現(xiàn)了遠程傳輸和遠程控制。在一些特定的區(qū)域應(yīng)用時可以大大減少安裝、運輸及管理成本等。

　　3.3 升壓電路的設(shè)計

　　一般的升壓電路，當電源電壓低于DC/DC驅(qū)動電壓，DC/DC根本無法啟動及進行任何升壓動作。因此首先要解決的就是升壓電路的啟動問題。但是系統(tǒng)增加啟動電路必然使整個電路復(fù)雜化，且電路的穩(wěn)定性降低。本設(shè)計需要的是一種不加啟動電路的升壓電路。

　　采用S882Z系列充電泵就能使上述問題迎刃而解。S882Z系列按放電開始電壓大小有4個品種：分別為1.8V,2.0V,2.2V及2.4V,在型號后綴中用18,20,22及24來區(qū)分。例如，S882Z20是放電開始電壓為2.0V的充電泵。

　　該系列的主要特點如下：輸入電壓VIN范圍在Ta=-30~+60!時為0.3~3.0V;Ta=-40~+85!時為0.35~3.0V;工作時的消耗電流在VIN=0.3V時為0.5mA（最大值）；有關(guān)閉控制，在關(guān)閉狀態(tài)或稱休眠狀態(tài)時耗電小于0.6A（VIN=0.3V）；關(guān)閉控制電壓為放電開始電壓降0.1V（小于等于3.0V）；內(nèi)部振蕩器頻率為350kHz;外部僅接一個啟動電容（CCPOUT）；小尺寸SOT235封裝。

　　3.4 儲能電路設(shè)計

　　壓電元件產(chǎn)生的電荷是瞬間和交替的，是以不規(guī)則的隨機突發(fā)形式提供能量，而且在電能提取過程中具有阻尼效應(yīng)。當振動能傳遞到壓電材料時，由于壓電材料內(nèi)部電阻太大（相當于斷路）或電阻太?。ㄏ喈斢诙搪罚r，產(chǎn)生的電能未消失，會再次轉(zhuǎn)化為振動能；重復(fù)這種過程，振動衰減會持續(xù)一段時間。所積聚起來的電荷阻礙電荷的進一步生成，因此必須先在一個超級電容器中積累足夠的能量，然后通過轉(zhuǎn)換電路將能量儲存于電池中。

　　本系統(tǒng)采用MAX1811作為主控芯片設(shè)計電路對可充電電池進行電能收集。MAX1811體積小，尺寸為5.00mm?6.20mm?1.35mm,它是一種高集成度電池充電器，所需外圍元件很少，易于控制電路體積，而且，它可以用于鋰電池充電。

　　MAX1811有兩個設(shè)置端，其中SELV設(shè)置為高時，對電池的最終充電電壓為4.2V;設(shè)置為低時，最終充電電壓為4.1V,可適應(yīng)不同最終充電電壓的鋰電池，MAX1811最終充電電壓的精度可達到0.5%,能安全地對電池進行充電。另一個設(shè)置端是SELI,開關(guān)K閉合設(shè)置成高時，充電電流為500mA,適用于高功率的端口（4.75~5.25V,500mA）；開關(guān)斷開為低電平時，充電電流為100mA,適用于低功率端口（4.40~5.25V,100mA），CHG一端在充電期間為低電平，可連接一只發(fā)光二極管作充電指示。

　　壓電材料振動得到的交流電電壓大約為1V,通過升壓電路后電容電壓達到MAX1811充電控制端輸入電壓要求，電路開始工作。MAX1811的各項參數(shù)滿足設(shè)計要求。

　　4 發(fā)電系統(tǒng)測試流程設(shè)計

　　壓電發(fā)電裝置及試驗系統(tǒng)從主體結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路設(shè)計到軟件編程組建了一套完整的壓電材料發(fā)電能力的試驗測試系統(tǒng)，這為接下來要進行的對壓電材料發(fā)電性能參數(shù)的測定提供了平臺，并且為研究外界激勵的頻率、振幅對壓電材料發(fā)電產(chǎn)生電壓、電荷量大小的影響提供了分析測試基礎(chǔ)。

　　測試系統(tǒng)的工作原理為：由功率放大器和高能激振器組成的信號發(fā)生器輸出一個頻率及振幅可調(diào)的正弦激勵，為以壓電材料為主體的結(jié)構(gòu)提供激勵源。經(jīng)霍爾位移傳感器和電荷放大器分別檢測壓電材料變形量和壓電材料變形所產(chǎn)生的電荷量，并用圖6測試系統(tǒng)工作框圖電阻分壓的方法把壓電材料產(chǎn)生的輸出電壓調(diào)整到采集卡允許的輸入電壓范圍。然后使用數(shù)據(jù)采集卡對三路信號進行采集，最后利用采集軟件進行數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理等。

　　5 結(jié)語

　　設(shè)計制作了簡易的壓電發(fā)電裝置樣機，對影響壓電振子發(fā)電能力的因素進行了試驗分析，同時測試了壓電發(fā)電裝置的發(fā)電性能和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的驅(qū)動能力。

　　由于壓電發(fā)電具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，因此在壓電發(fā)電領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

　　從壓電能量在點火裝置、傳感器和光電測試儀等設(shè)備中的應(yīng)用，到壓電能量的大量捕獲、存儲，甚至利用壓電技術(shù)發(fā)電，這是壓電能源發(fā)展的必然趨勢。根據(jù)實際振動環(huán)境和條件，選擇更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)配置、壓電振子材料和幾何參數(shù)，以及高效的能量轉(zhuǎn)換存儲電路是提高振動能量捕獲量和捕獲效率的必要途徑，也是壓電發(fā)電技術(shù)要發(fā)展成熟必須要解決的難題。